黑白相機(jī)成像原理
工業(yè)相機(jī)是機(jī)器視覺系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵組件，其最本質(zhì)的功能就是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成有序的電信號(hào)。選擇合適的相機(jī)也是機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，相機(jī)的選擇不僅直接決定所采集到的圖像分辨率、圖像質(zhì)量等，同時(shí)也與整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行模式直接相關(guān)。
我們首先從相對(duì)簡(jiǎn)單的黑白數(shù)字相機(jī)入手。如下圖所示，物體在有光線照射到它表面時(shí)將會(huì)產(chǎn)生反射，這些反射光線進(jìn)入鏡頭光圈照射在CCD芯片上，在感應(yīng)元件產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電荷，電流大小與光強(qiáng)對(duì)應(yīng)。曝光結(jié)束后，這些電荷被讀出，并由相機(jī)內(nèi)部的微處理器進(jìn)行初步處理，存儲(chǔ)到存儲(chǔ)介質(zhì)當(dāng)中，此時(shí)由該微處理器輸出的就是一幅數(shù)字圖像了。
CCD彩色成像原理
CCD芯片按比例將一定數(shù)量的光子轉(zhuǎn)換為一定數(shù)量的電子，但光子的波長(zhǎng)，也就是光線的顏色，卻沒(méi)有在這一過(guò)程中被轉(zhuǎn)換為任何形式的電信號(hào)，因此CCD實(shí)際上是無(wú)法區(qū)分顏色的。
在這種情況下，如果我們希望使用CCD作為相機(jī)感光芯片，并輸出紅、綠、藍(lán)三色分量，就可以采用一個(gè)分光棱鏡和三個(gè)CCD，如下圖所示。棱鏡將光線中的紅、綠、藍(lán)三個(gè)基本色分開，使其分別投射在一個(gè)CCD芯片上。
這樣以來(lái)，每個(gè)CCD就只對(duì)一種基本色分量感光。這種解決方案在實(shí)際應(yīng)用中的效果非常好，但它的最大缺點(diǎn)就在于，采用3個(gè)CCD和棱鏡的搭配必然導(dǎo)致價(jià)格昂貴。因此科研人員在很多年前就開始研發(fā)只使用一個(gè)CCD芯片也能輸出各種彩色分量的相機(jī)。
三棱鏡方式：
為了獲取光線的顏色信息，可以使用三棱鏡將光束分成單色光，然后分別成像，三棱鏡方式就是這個(gè)原理。它從鏡頭射入的光分成三束，每束光都由不同的內(nèi)置光柵來(lái)過(guò)濾出某一種三原色，然后使用三塊CCD分別感光。這些圖象再合成出一個(gè)高分辨率、色彩精確的圖象。
濾光片方式：
由于每個(gè)感光元件對(duì)應(yīng)圖像傳感器中的一個(gè)像點(diǎn)，且只能感應(yīng)光的強(qiáng)度，無(wú)法捕獲色彩信息，因此必須在感光元件上方覆蓋彩色濾光片。最常用的做法是覆蓋RGB紅綠藍(lán)三色濾光片，以1：2：1的構(gòu)成由四個(gè)像點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)彩色像素（即紅藍(lán)濾光片分別覆蓋一個(gè)像點(diǎn)，剩下的兩個(gè)像點(diǎn)都覆蓋綠色濾光片），采取這種比例的主要原因是人眼對(duì)綠色較為敏感。
單CCD彩色成像原理
如果在CCD表面覆蓋一個(gè)只含紅綠藍(lán)三色的馬賽克濾鏡，再加上對(duì)其輸出信號(hào)的處理算法，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè) CCD 輸出彩色圖像數(shù)字信號(hào)。由于這個(gè)設(shè)計(jì)理念最初由拜爾（Bayer）先生提出，所以這種濾鏡也被稱作拜爾濾鏡。
如上圖所示，該濾鏡的色彩搭配形式為：一行使用藍(lán)綠元素，下一行使用紅綠元素，如此交替；換言之，CCD中每4個(gè)像素中有2個(gè)對(duì)綠色分量感光，另外兩個(gè)像素中，一個(gè)對(duì)藍(lán)色感光、一個(gè)對(duì)綠色感光。從而使得每個(gè)像素只含有紅、綠、藍(lán)三色中一種的信息，但我們希望的是每個(gè)像素都含有這三種顏色的信息。
所以接下來(lái)要對(duì)這些像素的值使用"色彩空間插值法"進(jìn)行處理。以上圖左下角的紅色區(qū)域?yàn)槔覀冃枰氖莵G失了的綠色與藍(lán)色的值。而插值法可以通過(guò)分析與這個(gè)紅色像素相鄰的像素計(jì)算出這兩個(gè)值。
在這個(gè)例子中，算法發(fā)現(xiàn)該區(qū)域像素總綠色像素均含有大量電荷，但藍(lán)色像素所含電荷數(shù)為零，所以可以計(jì)算出，這個(gè)紅色像素實(shí)際上是黃色的。如果對(duì)3CCD的成像結(jié)果與單 CCD+色彩插值處理后的結(jié)果進(jìn)行比較，我們將發(fā)現(xiàn)所得圖片完全一致。但該結(jié)論僅對(duì)當(dāng)前的圖像成立！因?yàn)檫@副圖片色彩對(duì)比簡(jiǎn)單、邊界規(guī)則。
而在實(shí)際應(yīng)用中，即使最成熟的色彩插值算法也會(huì)在圖片中產(chǎn)生低通效應(yīng)。所以，單 CCD彩色相機(jī)生成的圖片比3CCD彩色相機(jī)生成的圖片更加模糊，這點(diǎn)在圖像中有超薄或纖維形物體的情況下尤為明顯。
但是，單CCD彩色相機(jī)使CCD數(shù)字相機(jī)的價(jià)格大大降低，而且隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，CCD的質(zhì)量都有了驚人的進(jìn)步，因此大部分彩色數(shù)碼相機(jī)都采用了這種技術(shù)。
